KR20190012100A - Electrochemical Oxygen Generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기화학적 산소 발생 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 휴대용, 가정용, 의료용, 차량용, 산업용의 산소발생기 또는 산소 펌프, 산소 컴프레서, 산소 농축기 등의 다양한 분야에 적용 가능한 전기화학적 산소 발생 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical oxygen generator, and more particularly, to an electrochemical oxygen generator capable of being applied to various fields such as an oxygen generator or oxygen pump, oxygen compressor, oxygen concentrator, etc. for portable use, household use, medical use, .
최근 환경문제 등으로 대기오염이 심각해지면서 산소 관련 제품이 주목을 받고 있다.Oxygen-related products are attracting attention as air pollution becomes serious due to recent environmental problems.
일반적으로, 산소는 인류의 생존에 있어서 필수적인 요소로, 다양한 분야에서, 고순도의 산소를 필요에 따라 발생시키는 기술이 매우 중요시 여겨지고 있다.Generally, oxygen is an essential element in the survival of mankind, and in various fields, it is considered very important that oxygen is generated as needed on a high purity basis.
예를 들어, 산소 발생 장치는, 휴대용, 가정용, 의료용, 차량용, 산업용의 산소발생기 또는 산소 펌프, 산소 컴프레서, 산소 농축기 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.For example, oxygen generators have been applied to various fields such as oxygen generators or oxygen pumps for oxygenators, oxygen compressors, oxygen concentrators, etc. for portable use, household use, medical use, automotive use, and industrial use.
이러한 산소 발생 장치는, 기존의 PSA 공법, 막분리 공법, 산소 탱크 등을 이용하는 산소 발생 기술이 사용되고 있다. As such an oxygen generating apparatus, an oxygen generating technique using a conventional PSA process, a membrane separation process, an oxygen tank, or the like is used.
하지만, 종래의 산소 발생 기술인, PSA 공법, 막분리 공법 등의 경우, 복잡한 산소 발생 공정으로 시스템의 사이즈가 크고, 흡착제 등을 다량 사용해야 하는 관계로 가격이 높은 문제점이 있으며, 이들 공법의 경우, 압축기를 사용해야 하기 때문에 소음과 진동이 필수적으로 발생하게 된다.However, in the case of PSA process, membrane separation process, etc., which are conventional oxygen generation technologies, there is a problem that a complex oxygen generating process requires a large system size and a large amount of an adsorbent. Therefore, Noise and vibration are essential.
따라서, PSA 공법, 막분리 공법 등을 이용한 따른 산소 발생 장치의 경우, 소형화가 곤란하고, 정숙이 요구되는 공간에서는 산소 발생 장치를 사용할 수 없기 때문에 대중화가 어렵다는 문제점이 있다.Therefore, in the case of an oxygen generating apparatus using a PSA process, a membrane separation process, etc., it is difficult to miniaturize it, and it is difficult to popularize it because an oxygen generating device can not be used in a space requiring quietness.
또한, 산소 탱크를 이용하는 산소 발생 장치는 가격을 낮출 수 있고 소형화가 가능하며 무소음 무진동을 실현할 수 있다는 장점은 있으나, 산소 발생 장치의 사용에 따라 주기적으로 전문 가스업체로부터 산소를 충전해야 하는 문제점이 있으며, 또한, 산소 발생 장치의 사용시간이 산소 탱크의 사이즈에 제한되는 등 사용하기에 매우 불편한 문제점이 있다.In addition, although the oxygen generating apparatus using the oxygen tank has an advantage that the price can be reduced, the apparatus can be miniaturized, and the noiseless vibration can be realized, there is a problem that oxygen is charged from the professional gas supplier periodically according to the use of the oxygen generating apparatus , And the use time of the oxygen generator is limited by the size of the oxygen tank, which is very inconvenient to use.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen with noiseless and non-resonant use, and also capable of downsizing the apparatus by using an electrochemical method.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 산소 발생 장치에 있어서, 상기 산소 발생 장치는, 외부의 공기가 유입되는 캐소드에서는 산소 환원 반응이 일어나고, 물이 공급되는 애노드에서는 산소 생생 반응이 일어나며, 상기 외부의 공기가 유입되는 공기 유량은 20ccm 이상인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치 를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, according to the present invention, in the oxygen generator, the oxygen reduction reaction takes place at the cathode where the outside air is introduced, the oxygen live reaction occurs at the anode where water is supplied, And an air flow rate at which external air is introduced is 20 ccm or more.
또한, 본 발명은 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 산소 발생 장치를 제공한다.In the present invention, oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER) in the anode, and water (H 2 O) is generated.
또한, 본 발명은 전원 장치의 제1극과 연결되는 애노드, 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체; 상기 애노드에 물을 공급하기 위한 물공급원; 및 상기 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부를 포함하고, 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 산소 발생 장치를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly comprising an anode connected to a first pole of a power supply, a cathode connected to a second pole of the power supply, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode; A water supply source for supplying water to the anode; And an air supply unit for supplying oxygen to the cathode. In the anode, oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER), and an oxygen reduction reaction , ORR) to generate water (H 2 O).
또한, 본 발명은 상기 캐소드에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원으로 회수하기 위한 물 회수라인을 더 포함하는 산소 발생 장치를 제공한다.The present invention further provides an oxygen generator comprising a water recovery line for recovering water (H 2 O) generated in the cathode to the water source.
또한, 본 발명은 상기 애노드의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부 및 상기 캐소드의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부를 더 포함하며, 상기 제1외부 프레임부는, 제1외부 프레임; 상기 제1외부 프레임의 일측에 위치하는 물 주입구 및 상기 제1외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 배출구를 포함하고, 상기 제2외부 프레임부는, 제2외부 프레임; 상기 제2외부 프레임의 일측에 위치하는 산소 주입구 및 상기 제2외부 프레임의 타측에 위치하는 물 배출구를 포함하는 산소 발생 장치를 제공한다.Further, the present invention may further comprise a first outer frame part located on the outer side of the anode and a second outer frame part located on the outer side of the cathode, wherein the first outer frame part comprises: a first outer frame; A water inlet located at one side of the first outer frame and an oxygen outlet located at the other side of the first outer frame, the second outer frame including a second outer frame; An oxygen injection port located at one side of the second outer frame, and a water outlet located at the other side of the second outer frame.
또한, 본 발명은 상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구를 통해 상기 애노드로 공급되며, 상기 애노드에서는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성하고, 상기 생성된 산소(O2)는 상기 산소 배출구를 통해 배출되며, 상기 캐소드에서는, 상기 산소 주입구로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 되며, 생성된 물(H2O)은 상기 물 배출구를 통해 배출되는 산소 발생 장치를 제공한다.In addition, the present invention is supplied to the anode through the water (H 2 O) is the water inlet which is supplied from the water supply source, the anode in the water proton (H +) by electrolysis of (H 2 O), oxygen (O 2 ) and electrons, and the generated oxygen (O 2 ) is discharged through the oxygen outlet. At the cathode, oxygen (O 2 ) in the air supplied from the oxygen inlet is passed through the electrolyte membrane And the generated hydrogen ion (H + ) reacts to generate water (H 2 O), and the generated water (H 2 O) is discharged through the water outlet.
또한, 본 발명은 상기 애노드는 제1지지체 및 상기 제1지지체의 일측에 위치하는 제1촉매층을 포함하며, 상기 제1지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본, 전도성고분자 또는 이들의 혼합물이고, 상기 제1촉매층은 Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S 및 Mo 금속 및 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산소 발생 반응용 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치를 제공한다.Also, the present invention is characterized in that the anode comprises a first support and a first catalyst layer located on one side of the first support, wherein the first support is selected from the group consisting of carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, Wherein the first catalyst layer is made of Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S and Mo metals and oxides, nitrides, carbides, phosphides, and sulfides of the above metals. The present invention also provides an oxygen generating device comprising the same.
또한, 본 발명은 상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고, 상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고, 상기 제2촉매층은 Pt, Pd, Ir, Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산소 환원 반응용 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치를 제공한다.Further, the present invention is characterized in that the cathode comprises a second support and a second catalyst layer located on one side of the second support, and the second support is a layer of carbon or a transition metal oxide, a nitride, a carbide, a phosphide, And the second catalyst layer is at least one oxygen reduction reaction catalyst selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au, Ag and their alloys. Lt; / RTI >
또한, 본 발명은 상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고, 상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고, 상기 제2촉매층은 Fe-N-C 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치를 제공한다.Further, the present invention is characterized in that the cathode comprises a second support and a second catalyst layer located on one side of the second support, and the second support is a layer of carbon or a transition metal oxide, a nitride, a carbide, a phosphide, And the second catalyst layer is an Fe-NC catalyst.
또한, 본 발명은 상기 Fe-N-C 촉매는 수소 생성 반응은 억제하고, 산소 환원 반응은 촉진시키는 것인 산소 발생 장치를 제공한다.Further, the present invention provides an oxygen generator wherein the Fe-N-C catalyst suppresses the hydrogen production reaction and accelerates the oxygen reduction reaction.
본 발명에서는, 막-전극 접합체; 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치; 및 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.In the present invention, a membrane-electrode assembly; A power supply capable of applying a constant power supply; And a water supply source capable of supplying water to the anode of the membrane electrode assembly can constitute an oxygen generating apparatus in which oxygen (O 2 ) is generated.
따라서, 본 발명에서는 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen by noiseless and non-vibrating use, and also by simplifying the structure of the apparatus and making it possible to miniaturize.
도 1은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 원리를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 개략적인 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 일부 결합사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예의 결합상태에서 가스켓을 제외하고 도시한 모식도이다.
도 5는 실험예 1의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 6는 실험예 2의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7은 실험예 3의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 실험예 4의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9는 실험예 5의 공기 유량 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 10은 실험예 6의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 11은 실험예 7의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 12는 실험예 8의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.1 is a schematic diagram for explaining the principle of an oxygen generating apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic exploded perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention, FIG. 3 is a partially assembled perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention, Fig. 3 is a schematic view showing a gasket in an engaged state of an application example of an oxygen generator. Fig.
5 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 1. FIG.
6 is a graph showing a change in oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 2. FIG.
7 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 3. Fig.
8 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 4. FIG.
9 is a graph showing the change in the oxygen generating current density according to the air flow rate in Experimental Example 5. FIG.
10 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 6. Fig.
11 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 7. FIG.
12 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 8. Fig.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. &Quot; and / or "include each and every combination of one or more of the mentioned items. ≪ RTI ID = 0.0 >
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various components, it goes without saying that these components are not limited by these terms. These terms are used only to distinguish one component from another. Therefore, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the technical scope of the present invention.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms " comprises "and / or" comprising "used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated element.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다. The terms spatially relative, "below", "beneath", "lower", "above", "upper" And can be used to easily describe a correlation between an element and other elements. Spatially relative terms should be understood in terms of the directions shown in the drawings, including the different directions of components at the time of use or operation. For example, when inverting an element shown in the figures, an element described as "below" or "beneath" of another element may be placed "above" another element . Thus, the exemplary term "below" can include both downward and upward directions. The components can also be oriented in different directions, so that spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 전기화학적 산소 발생 장치를 설명하기 앞서, 일반적인 수전해 반응과 연료전지 반응을 설명하면 다음과 같다.Before describing the electrochemical oxygen generator according to the present invention, a general water electrolysis reaction and a fuel cell reaction will be described as follows.
- 수전해 반응- Suspension reaction
애노드: 2H2O →→ O2 + 4H+ + 4e- (OER) Anode: 2H 2 O →→ O 2 + 4H + + 4e - (OER)
캐소드: 4H+ + 4e- →→ 2H2 (HER) Cathode: 4H + + 4e - →→ 2H 2 (HER)
- 연료전지 반응- Fuel cell reaction
애노드: O2 + 4H+ + 4e- →→ 2H2O (ORR) Anode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (ORR)
캐소드: 2H2 →→ 4H+ + 4e- (HOR) Cathode: 2H 2 →→ 4H + + 4e - (HOR)
즉, 일반적인 수전해 반응의 경우, 애노드에서 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)이 일어나며, 캐소드에서 수소 생성 반응(HER; hydrogen evolution reaction)이 일어난다.That is, in the case of a typical hydrolysis reaction, an oxygen evolution reaction (OER) occurs at the anode, and a hydrogen evolution reaction (HER) occurs at the cathode.
또한, 일반적인 연료전지의 반응에서는 애노드에서 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)이 일어나며, 캐소드에서 수소 산화 반응(HOR, hydrogen oxidation reaction)이 일어난다.In addition, in a typical fuel cell reaction, an oxygen reduction reaction (ORR) occurs at the anode, and a hydrogen oxidation reaction (HOR) occurs at the cathode.
하지만, 본 발명에 따른 산소 발생 장치에서는, 애노드와 캐소드에서 하기와 같은 반응이 일어난다.However, in the oxygen generating apparatus according to the present invention, the following reaction occurs at the anode and the cathode.
- 본 발명의 산소 발생 장치- The oxygen generator of the present invention
애노드: 2H2O →→ O2 + 4H+ + 4e- (OER)Anode: 2H 2 O →→ O 2 + 4H + + 4e - (OER)
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- →→ 2H2O (ORR)Cathode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (ORR)
즉, 본 발명에서는 애노드에서는 수전해 반응인 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 캐소드에서는 연료전지 반응인 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시킨다.That is, in the present invention, oxygen (O 2 ) is generated using oxygen evolution reaction (OER), which is a water electrolysis reaction in the anode, and oxygen reduction reaction (ORR) To generate water (H 2 O).
도 1은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 원리를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.1 is a schematic diagram for explaining the principle of an oxygen generating apparatus according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 전원 장치(20)의 제1극과 연결되는 애노드(30); 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드(40); 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60)를 포함한다. 이때, 상기 제1극은 양극일 수 있으며, 상기 제2극은 음극일 수 있다.1, an
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 애노드(30)에 물을 공급하기 위한 물공급원(70)을 포함하며, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)를 포함한다.The
이때, 상기 공기공급부(80)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 일반적인 공기를 상기 캐소드에 공급함으로써, 상기 공기공급부(80)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.At this time, the
한편, 상기 공기공급부(80)에 의한 산소의 공급은, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급하는 것으로 이해될 수 있으며, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위하여, 상기 공기공급부(80)는 공지된 팬을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 공기공급부(80)의 종류를 제한하는 것은 아니다.The supply of oxygen by the
즉, 상기 팬을 작동시켜, 상기 캐소드(40)에 강제로 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.That is, by operating the fan, oxygen can be supplied to the
본 발명에서, 이와 같은 강제적인 방법에 의한 산소의 공급은 공기의 유량으로 표현될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.In the present invention, the supply of oxygen by such a forced method can be expressed by the flow rate of air, which will be described later.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(60)의 애노드와 캐소드에서는 하기와 같은 반응이 일어난다.On the other hand, as described above, the following reaction occurs in the anode and the cathode of the membrane-
애노드: 2H2O →→ O2 + 4H+ + 4e- (OER)Anode: 2H 2 O →→ O 2 + 4H + + 4e - (OER)
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- →→ 2H2O (ORR)Cathode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (ORR)
즉, 본 발명에서 상기 애노드에서는 물공급원(70)으로부터 공급되는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성한다.That is, in the present invention, the anode electrolyzes water (H 2 O) supplied from the
이때, 상기 애노드에서 생성된 수소이온(H+)은 상기 전해질막(50)을 통과하여, 상기 캐소드로 이동하게 된다. At this time, the hydrogen ion (H + ) generated in the anode passes through the
상기 캐소드에서는, 상기 공기공급부(80)로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막(50)을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 된다.In the cathode, oxygen (O 2 ) in the air supplied from the
즉, 본 발명에서, 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시킨다.That is, in the present invention, oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER) in the anode, and water (H 2 O).
한편, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하기 위한 물 회수라인(90)을 더 포함할 수 있으며, 다만, 도면에서는 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하는 것으로 도시하고 있으나, 이와는 달리, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)은 임의의 배출라인을 통해 배출시킬 수 있다.The
다만, 본 발명에서는, 상기 물공급원(70)으로부터 상기 애노드에 물(H2O)을 공급하는 것이 필수적이므로, 즉, 상기 물공급원(70)이 필수적인 구성에 해당하므로, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하는 것이 바람직하다.However, in the present invention, it is essential to supply water (H 2 O) to the anode from the
본 발명에서는 이상과 같은, 애노드와 캐소드의 반응에 의하여, 상기 애노드에서 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.In the present invention, it is possible to constitute an oxygen generating apparatus in which oxygen (O 2 ) is generated in the anode by the reaction between the anode and the cathode as described above.
즉, 상기 애노드에서 발생되는 산소(O2)는, 휴대용, 가정용, 의료용, 차량용, 산업용의 산소발생기 또는 산소 펌프, 산소 컴프레서, 산소 농축기 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다.That is, the oxygen (O 2 ) generated from the anode can be applied to various fields such as an oxygen generator or an oxygen pump, an oxygen compressor, an oxygen concentrator, etc. for portable use, household use, medical use,
이때, 상술한 본 발명에 따른 산소 발생 장치에서 알 수 있는 바와 같이, 애노드(30), 캐소드(40), 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60); 상기 애노드와 상기 캐소드에 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 상기 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70); 및 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.At this time, as can be seen from the above-described oxygen generator according to the present invention, the membrane-electrode including the
상술한 바와 같이, 종래의 산소 발생 장치를 구현하는 산소 발생 기술 중, PSA 공법, 막분리 공법 등의 경우, 복잡한 산소 발생 공정으로 시스템의 사이즈가 크고, 흡착제 등을 다량 사용해야 하는 관계로 가격이 높은 문제점이 있으며, 이들 공법의 경우, 압축기를 사용해야 하기 때문에 소음과 진동이 필수적으로 발생하게 되는 문제점이 있다.As described above, among the oxygen generating techniques for implementing the conventional oxygen generating apparatus, in the case of the PSA process and the membrane separation process, the complex oxygen generating process requires a large system size and a large amount of the adsorbent, In the case of these methods, since a compressor is used, there is a problem that noise and vibration are essentially generated.
또한, 산소 탱크를 이용하는 산소 발생 장치는 산소 발생 장치의 사용에 따라 주기적으로 전문 가스업체로부터 산소를 충전해야 하는 문제점이 있다.In addition, there is a problem that the oxygen generator using the oxygen tank must be charged with oxygen from the professional gas supplier periodically in accordance with the use of the oxygen generator.
하지만, 본 발명에서는, 막-전극 접합체(60); 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70); 및 상기 막-전극 접합체의 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.However, in the present invention, the membrane-
따라서, 본 발명에서는 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen by noiseless and non-vibrating use, and also by simplifying the structure of the apparatus and making it possible to miniaturize.
이하에서는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 설명하기로 한다.Hereinafter, an application example of the oxygen generator according to the present invention will be described.
도 2는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 개략적인 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 일부 결합사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예의 결합상태에서 가스켓을 제외하고 도시한 모식도이다.FIG. 2 is a schematic exploded perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention, FIG. 3 is a partially assembled perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention, Fig. 3 is a schematic view showing a gasket in an engaged state of an application example of an oxygen generator. Fig.
다만, 후술할 바와 같은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예는, 상술한 도 1의 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 원리를 적용한 일예를 도시할 뿐이며, 따라서, 본 발명의 권리범위는 도 2 내지 3의 산소 발생 장치의 적용예에 제한되는 것은 아니다.However, an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention as described later only shows an example of applying the principle of the oxygen generating apparatus according to the present invention shown in FIG. 1, The application of the oxygen generating apparatus of Figs.
또한, 도 2 내지 도 4의 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예는, 상술한 도 1과 비교하여 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용하였다.In addition, the application examples of the oxygen generator according to the present invention shown in Figs. 2 to 4 have the same configurations as those of Fig. 1 described above.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 전원 장치(20)의 제1극과 연결되는 애노드(30); 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드(40); 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60)를 포함한다. 이때, 상기 제1극은 양극일 수 있으며, 상기 제2극은 음극일 수 있다.2 through 4, an
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 애노드(30)에 물을 공급하기 위한 물공급원(70)을 포함하며, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(70)를 포함한다.The
이때, 상술한 바와 같이, 상기 공기공급부(70)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 일반적인 공기를 상기 캐소드에 공급함으로써, 상기 공기공급부(80)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.As described above, the
한편, 상기 공기공급부(80)에 의한 산소의 공급은, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급하는 것으로 이해될 수 있으며, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위하여, 상기 공기공급부(80)는 공지된 팬을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 공기공급부(80)의 종류를 제한하는 것은 아니다.The supply of oxygen by the
즉, 상기 팬을 작동시켜, 상기 캐소드(40)에 강제로 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.That is, by operating the fan, oxygen can be supplied to the
본 발명에서, 이와 같은 강제적인 방법에 의한 산소의 공급은 공기의 유량으로 표현될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.In the present invention, the supply of oxygen by such a forced method can be expressed by the flow rate of air, which will be described later.
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하기 위한 물 회수라인(90)을 더 포함할 수 있다.The application example 100 of the oxygen generator according to the present invention further includes a
계속해서, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 애노드(30)의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부(110)를 포함하며, 상기 캐소드(40)의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부(120)를 포함한다.2 to 4, an application example 100 of the oxygen generator according to the present invention includes a first
이때, 상기 제1외부 프레임부(110)는, 제1외부 프레임(111); 상기 제1외부 프레임(111)의 일측에 위치하는 물 주입구(112) 및 상기 제1외부 프레임(111)의 타측에 위치하는 산소 배출구(113)를 포함한다.At this time, the first
즉, 물공급원(70)으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구(112)를 통해 상기 애노드(30)로 공급되며, 상기 애노드에서는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성하며, 상기 생성된 산소(O2)는 상기 산소 배출구(113)를 통해 배출될 수 있다.That is, water (H 2 O) supplied from the
또한, 상기 제2외부 프레임부(120)는, 제2외부 프레임(121); 상기 제2외부 프레임(121)의 일측에 위치하는 산소 주입구(122) 및 상기 제2외부 프레임(121)의 타측에 위치하는 물 배출구(123)를 포함한다.Further, the second
즉, 상기 산소 주입구(122)를 통해 상기 캐소드(40)로 산소가 공급되고, 상기 캐소드에서는, 상기 공기 공급부(미도시)로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막(50)을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 되며, 생성된 물(H2O)은 상기 물 배출구(123)를 통해 배출될 수 있다.That is, oxygen is supplied to the
이때, 상술한 바와 같이, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)은 상기 물 회수라인(90)을 통해 상기 물공급원(70)으로 회수되거나, 임의의 배출라인을 통해 배출시킬 수 있다.At this time, as described above, water (H 2 O) generated in the
계속해서, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 제1외부 프레임부(110) 및 상기 제2외부 프레임부(120)의 사이에 위치하는 가스켓부(130)를 포함한다.2 to 4, an application example 100 of the oxygen generator according to the present invention includes a first
상기 가스켓부(130)는 상기 제1외부 프레임부(110) 및 상기 제2외부 프레임부(120)에 체결되는 가스켓 프레임(131) 및 상기 가스켓 프레임(131)의 내측에 위치하는 중공부(132)를 포함한다.The
상기 가스켓 프레임(131)은 테프론 또는 실리콘 재질일 수 있다.The
이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 중공부(132)에는, 애노드(30), 캐소드(40), 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60)가 위치할 수 있다.3, the
상기 가스켓부(130)는 상기 막-전극 접합체(60)를 지지하면서, 상기 막-전극 접합체(60)에 공급되는 물 또는 상기 막-전극 접합체(60)에서 발생되는 물 등이 외부로 흐르는 것을 방지할 수 있다.The
이하에서는 본 발명에 따른 산소 발생 장치를 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the oxygen generator according to the present invention will be described in more detail.
먼저, 상기 애노드(30)는 제1지지체, 상기 제1지지체의 일측에 위치하는 제1촉매층, 및 상기 제1지지체의 타측에 위치하는 제1기체확산층을 포함할 수 있다.First, the
상기 제1지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본, 전도성고분자 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The first support may be carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon molecular sieve, carbon nanotube, activated carbon having micropores, mesoporous carbon, conductive polymer, or a mixture thereof.
상기 제1촉매층은 Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S 및 Mo 금속 및 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산소 발생 반응용 촉매일 수 있으며, 상기 제1촉매층은 상기 제1지지체 상에 담지된 상태일 수 있다.Wherein the first catalyst layer is selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S and Mo metals and oxides, nitrides, carbides, phosphides, At least one catalyst for oxygen generating reaction, and the first catalyst layer may be supported on the first support.
다음으로, 상기 캐소드(40)는 제2지지체, 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층, 및 상기 제2지지체의 타측에 위치하는 제2기체확산층을 포함할 수 있다.Next, the
상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질일 있다.The second support may be at least one material selected from the group consisting of carbon or a transition metal oxide, nitride, carbide, phosphide, and sulfide.
상기 제2촉매층은 Pt, Pd, Ir, Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산소 환원 반응용 촉매일 수 있으며, 상기 제2촉매층은 상기 제2지지체 상에 담지된 상태일 수 있다.The second catalyst layer may be at least one catalyst for oxygen reduction reaction selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au, Ag, or an alloy thereof, and the second catalyst layer may be a catalyst supported on the second support Lt; / RTI >
이때, 상기 Pt, Pd, Ir, Au, Ag의 합금은 Pt, Pd, Ir, Au 및 Ag로 이루어진 군에서 선택되는 금속과 전이 금속, 알카리 금속 및 란타넘족 금속이 합금화된 것일 수 있다.The alloy of Pt, Pd, Ir, Au and Ag may be a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au and Ag and a transition metal, an alkali metal and a lanthanum metal.
상기 전이 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re 및 Os로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, 상기 알카리 금속은 K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Cr, Ba 및 Ra로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 상기 란타넘족 금속은 La, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Yb 및 Lu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.The transition metal is selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, And the alkali metal is at least any one selected from the group consisting of K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Cr, Ba and Ra, and the lanthanum metal is La, Y, Ce, Pr , Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Yb and Lu.
또한, 이와는 달리, 상기 제2촉매층은 Fe-N 배위 결합을 갖는 비귀금속 산소 환원 반응용 촉매일 수 있으며, 상기 제2촉매층은 상기 제2지지체 상에 담지된 상태일 수 있다.Alternatively, the second catalyst layer may be a noble metal oxygen reduction reaction catalyst having an Fe-N coordination bond, and the second catalyst layer may be supported on the second support.
이때, 본 발명에서 캐소드용 촉매인 상기 제2촉매층은 Fe-N-C 촉매를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 Fe-N-C 촉매는 수소 생성 반응은 억제하고, 산소 환원 반응은 촉진시킬 수 있으므로, 즉, 수소 생성 반응이 발생하지 않아 넓은 범위의 전위에서 사용이 될 수 있다.In the present invention, it is preferable to use an Fe-NC catalyst as the second catalyst layer for the cathode, and the Fe-NC catalyst can suppress the hydrogen generation reaction and accelerate the oxygen reduction reaction, Generation reaction does not occur and can be used at a wide range of potentials.
한편, 상기 제1기체확산층 및 상기 제2기체확산층은 반응 기체가 촉매층으로 용이하게 접근할 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 특히 애노드의 제1기체확산층은 물공급부로부터 공급되는 물을 통과시켜야 하고, 캐소드의 제2기체확산층은 공기 공급부로부터 공급되는 산소를 통과시키는 역할을 해야 한다.The first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer facilitate the reaction gas to approach the catalyst layer. In particular, the first gas diffusion layer of the anode must pass water supplied from the water supply unit, The second gas diffusion layer of the cathode should serve to pass oxygen supplied from the air supply portion.
이러한 역할을 수행한다면 기체확산층으로 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 카본페이퍼, 카본크로스, 또는 메쉬 형태의 금속판재를 포함할 수 있다. The gas diffusion layer is not particularly limited as long as it performs such a role, but may include, for example, a carbon paper, a carbon cloth, or a metal plate in the form of a mesh.
상기 메쉬 형태의 금속판재는 스테인레스계 메쉬, 티탄계 메쉬 또는 니켈계 메쉬일 수 있다. The metal sheet material may be a stainless steel mesh, a titanium mesh or a nickel mesh.
다만, 본 발명에서 상기 제1기체확산층 및 상기 제2기체확산층의 재질을 제한하는 것은 아니다.However, the material of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer is not limited in the present invention.
다음으로, 상기 전해질막(50)은 애노드에서 발생한 수소 이온이 캐소드로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자 전해질 막이거나 또는 수산화 이온 교환 특성을 갖는 고분자 전해질 막일 수 있다.Next, the
예를 들어, 상기 전해질막(50)은 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체막, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술포네이티드 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 술포네이티드 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체(Clay-sulfonated Polysulfone Nanocomposite)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. For example, the
또한, 상기 전해질막은 수계 용매를 포함할 수 있으며, 상기 수계 용매는 H2SO4, HClO4, K2SO4, Na2SO4, H3PO4, H4P2O7, K2PO4, Na3PO4, K3PO4, HNO3, KNO3 및 NaNO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 수 있다.Also, the electrolyte membrane may include an aqueous solvent, and the aqueous solvent may include at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HClO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , H 3 PO 4 , H 4 P 2 O 7 , K 2 PO 4 , Na 3 PO 4 , K 3 PO 4 , HNO 3 , KNO 3 and NaNO 3 .
상기 전해질막의 두께는 예를 들면, 5 내지 300㎛, 10 내지 200㎛, 15 내지 100㎛이고, 이때 상기 전해질막의 두께가 5㎛ 미만이면 기계적 강도가 낮아지고, 화학적 안정성이 저하되고, 300㎛ 초과이면 전기저항이 증가할 수 있다.If the thickness of the electrolyte membrane is less than 5 占 퐉, the mechanical strength is lowered, the chemical stability is lowered, and the thickness of the electrolyte membrane is more than 300 占 퐉. The electrical resistance may increase.
한편, 상기 막-전극 접합체를 구성하기 위하여, 애노드, 캐소드 및 전해질막의 접합이 요구되며, 이러한 접합은 열가압 방법 등에 의해서 수행될 수 있다. 예를 들면, 핫프레스 장비를 이용하여, 온도는 120 내지 150℃에서, 시간은 0.1 내지 10분간 50 내지 200kgf/㎠으로 열가압 접합 공정을 실시할 수 있다.On the other hand, in order to constitute the membrane-electrode assembly, it is required to bond the anode, the cathode and the electrolyte membrane, and such bonding can be performed by a heat press method or the like. For example, a hot pressing apparatus can be used to carry out the hot press bonding process at a temperature of 120 to 150 DEG C and a time of 0.1 to 10 minutes at 50 to 200 kgf / cm < 2 >.
이하에서는 본 발명에 따른 실험예를 설명하기로 하며, 다만, 본 발명의 권리범위는 하기의 실험예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be described. However, the scope of the present invention is not limited to the following experimental examples.
[실험예 1][Experimental Example 1]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 Pt/C을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.The catalyst was coated with Pt / C on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with a nanoporous structure on the anode using a spray or decal method.
상기 애노드는 물 공급원을 통하여 물을 공급 받고 그 물을 OER을 통해 산소를 발생시켰다. 이때 발생한 수소 이온은 나피온 전해질막을 통하여 이동하고 캐소드에서 공기 중의 산소가 환원되어 물이 생성되는 ORR이 발생하였다.The anode was supplied with water through a water source and generated oxygen through the OER. At this time, the hydrogen ions generated through the Nafion electrolyte membrane migrated and the oxygen in the air was reduced at the cathode to generate water.
도 5는 실험예 1의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.5 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 1. FIG.
도 5에서 Pt/C- IrO2 (Air-Water)의 의미는, 캐소드 촉매로 Pt/C를 사용하고, 애노드 촉매로 IrO2를 사용하였으며, 별도의 공기공급부를 통해 공기를 캐소드에 공급하고 및 별도의 물 공급원을 통해 애노드에 물을 공급하였음을 의미한다. 이하 동일한 의미에 해당한다.Means of Pt / IrO 2 C- (Air-Water) in Figure 5 is, using the Pt / C catalyst and the cathode, the IrO 2 was used as an anode catalyst, and supplying air to the cathode through a separate air supply unit and Which means that the anode was supplied with water through a separate water source. The same shall apply hereinafter.
도 5를 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 대략 1000mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 애노드에서의 산소 발생량은 대략 350 cm3/min (STP) 임이 확인되었다.Referring to FIG. 5, when a voltage of 1.4 V was applied, a current density of about 1000 mA / cm 2 was obtained. In this case, it was confirmed that the amount of oxygen generated at the anode was about 350 cm 3 / min (STP).
[실험예 2][Experimental Example 2]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.The catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
이때, 물 공급원을 통한 애노드로의 물의 공급을 차단하고, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단한 것을 제외하고는 상술한 실험예 1과 동일하게 실시하여, 단위 전지 평가를 진행하였다.The evaluation of the unit cell was carried out in the same manner as in Experimental Example 1, except that the supply of water to the anode through the water supply source was cut off and the supply of air to the cathode through the air supply portion was cut off.
도 6는 실험예 2의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.6 is a graph showing a change in oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 2. FIG.
도 6에서 Pt/C-IrO2 (Non Air-Non Water)의 의미는, 캐소드 촉매로 Pt/C를 사용하고, 애노드 촉매로 IrO2를 사용하였으며, 물 공급원을 통한 애노드로의 물의 공급을 차단하고, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단하였음을 의미한다.In Figure 6, the meaning of Pt / C-IrO 2 (Non Air-Non Water) is, using the Pt / C as a cathode catalyst, was used as the IrO 2 to the anode catalyst, blocking the water supply to the anode through the water source And the supply of air to the cathode through the air supply unit is cut off.
도 6를 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없고 애노드에 물 공급이 없으면 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.Referring to FIG. 6, a current density of 0 mA / cm 2 was obtained when a voltage of 1.4 V was applied. In this case, it was confirmed that no oxygen supply reaction occurred in the anode without air supply to the cathode and no water supply to the anode.
[실험예 3][Experimental Example 3]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.The catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
이때, 물 공급원을 통하여 애노드의 물을 공급하고, 다만, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단한 것을 제외하고는 상술한 실험예 1과 동일하게 실시하여, 단위 전지 평가를 진행하였다.The evaluation of the unit cell was carried out in the same manner as in Experimental Example 1, except that water was supplied to the anode through a water supply source, but the supply of air to the cathode was interrupted through the air supply portion.
도 7은 실험예 3의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.7 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 3. Fig.
도 7에서 Pt/C-IrO2 (Non Air-Water)의 의미는, 캐소드 촉매로 Pt/C를 사용하고, 애노드 촉매로 IrO2를 사용하였으며, 물 공급원을 통하여 애노드의 물을 공급하되, 다만, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단하였음을 의미한다.7, Pt / C is used as a cathode catalyst, IrO 2 is used as an anode catalyst, and water of an anode is supplied through a water supply source. However, in the case of Pt / C-IrO 2 , It means that the supply of air to the cathode through the air supply part is cut off.
도 7을 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없으면, 산소 환원 반응이 발생하지 않아, 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.Referring to Fig. 7, a current density of 0 mA / cm < 2 > was obtained when a voltage of 1.4 V was applied. In this case, oxygen was not generated in the anode .
[실험예 4][Experimental Example 4]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.The catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
상기 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급받고, 다만, 캐소드에서 공기를 차단하여 1.8 V 까지 전압을 인가하여 단위 전지 평가를 진행하였다.Water was supplied to the anode through a water supply source, but the voltage was applied to 1.8 V by shutting off the air at the cathode to perform the evaluation of the unit cell.
도 8은 실험예 4의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.8 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 4. FIG.
도 8을 참조하면, 캐소드에 공기 공급이 없으면, 1.4 V 이상의 전압을 인가 하여야만 일정 전류 밀도가 얻어지는 것을 확인되었으나, 이 경우 캐소드에서 수소 발생 반응이 발생하는 것이 확인되었다.Referring to FIG. 8, it was confirmed that a constant current density can be obtained only by applying a voltage of 1.4 V or more in the absence of an air supply to the cathode. In this case, it was confirmed that a hydrogen generation reaction occurred in the cathode.
즉, 실험예 1과 같은, 별도의 공기공급부를 통해 공기를 캐소드에 공급하고 별도의 물 공급원을 통해 애노드에 물을 공급한 경우, 0.6V 이상의 전압을 인가하는 경우에도 전류 밀도가 얻어지는 것과는 대조적인 결과에 해당하며, 또한, 실험예 1에서는 애노드에서 산소발생반응이 일어나나, 실험예 4에서는 캐소드에서 수소발생반응이 나타나는 것을 확인하였다.That is, when air is supplied to the cathode through a separate air supply unit and water is supplied to the anode through a separate water supply source as in Experimental Example 1, current density is obtained even when a voltage of 0.6 V or more is applied In Experiment 1, an oxygen generation reaction occurred in the anode. In Experimental Example 4, a hydrogen generation reaction was observed in the cathode.
[실험예 5][Experimental Example 5]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.The catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
상기 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 상기 캐소드에는 공기공급부를 통하여 공기를 공급하되, 공기 유량을 5 ~ 100 ccm 까지 변화시켜 단위 전지 평가를 진행하였다.Water was supplied to the anode through a water supply source, air was supplied to the cathode through the air supply unit, and the air flow rate was varied from 5 to 100 cm 3 to evaluate the unit cell.
도 9는 실험예 5의 공기 유량 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.9 is a graph showing the change in the oxygen generating current density according to the air flow rate in Experimental Example 5. FIG.
도 9를 참조하면, 공기 유량이 증가함에 따라 산소 발생 전류 밀도가 상승하는 것이 확인되었고 100 ccm 의 공기를 공급 하였을 때 1.4 V 전압 인가 시 1000mA/cm2의 전류가 얻어짐을 확인하였다.Referring to FIG. 9, it was confirmed that the oxygen generating current density was increased as the air flow rate was increased, and it was confirmed that a current of 1000 mA / cm 2 was obtained when the air of 100 ccm was supplied at 1.4 V voltage.
다만, 공기의 유량이 5ccm 및 10ccm 인 경우, 발생되는 전류밀도가 미비하였으며, 따라서, 본 발명에서 상기 공기공급부를 통한 공기의 공급 유량은 20ccm 이상인 것이 바람직하다.However, in the case where the flow rates of the air are 5ccm and 10ccm, the generated current density is insufficient. Therefore, in the present invention, it is preferable that the supply flow rate of the air through the air supply unit is 20ccm or more.
[실험예 6][Experimental Example 6]
나피온 전해질막 상에 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 사용하되, 캐소드에는 Pt/C의 촉매 대신, 다른 촉매인 Fe/N/C 촉매를 사용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 실시하였다.An iridium oxide catalyst having a nanoporous structure was used for the anode on the Nafion electrolyte membrane, and the Fe / N / C catalyst other than Pt / C catalyst was used for the cathode. Respectively.
이때, 캐소드의 촉매로 Fe/N/C를 사용한 경우에 있어서, (1) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 캐소드에는 공기공급부를 통해 공기를 공급한 경우(Air - Water), (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water), (3) 애노드에 물 공급원을 차단하여 물을 공급하지 않고, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air-Non Water)로 구분하여 단위 전지 평가를 진행하였다.In this case, when Fe / N / C is used as the cathode catalyst, (1) water is supplied to the anode through a water supply source, (2) air is supplied to the cathode through the air supply unit, ) Non-Air-Water (3) The anode is supplied with water through the water supply source, and the cathode is shut off the air supply unit. (3) Non Air-Non-Water ", and the evaluation of the unit cell was carried out.
도 10은 실험예 6의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.10 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 6. Fig.
도 10을 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 약 300mA/ cm2 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 애노드에서의 산소 발생량은 대략 140 cm3/min (STP) 임이 확인 되었다. Referring to FIG. 10, a current density of about 300 mA / cm 2 was obtained when a voltage of 1.4 V was applied. In this case, it was confirmed that the amount of oxygen generated at the anode was about 140 cm 3 / min (STP).
하지만, 실험예 6의 경우도, (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water), (3) 애노드에 물 공급원을 차단하여 물을 공급하지 않고, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air-Non Water)에는, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없으면, 산소 환원 반응이 발생하지 않아, 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.However, in the case of Experimental Example 6, (2) water was supplied to the anode through a water supply source, the cathode was shut off from the air supply portion, and air was not supplied (Non Air-Water) The current density of 0 mA / cm < 2 > was obtained when a voltage of 1.4 V was applied to the case where air was not supplied and the air was not supplied (Non Air-Non Water) In this case, when there is no air supply to the cathode, no oxygen reduction reaction occurs and it is confirmed that no oxygen generation reaction occurs at the anode.
[실험예 7][Experimental Example 7]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을 사용하되, 애도드에도 캐소드와 동일한 백금 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 실험예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Experimental Example 1 was performed except that platinum as a catalyst was used on the Nafion electrolyte membrane and the same platinum catalyst as that of the cathode was used as the eadode.
이때, 캐소드 및 애노드의 촉매로 모두 Pt/C를 사용한 경우에 있어서, (1) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 캐소드에는 공기공급부를 통해 공기를 공급한 경우(Air - Water), (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water)로 구분하여 단위 전지 평가를 진행하였다.In this case, when Pt / C is used as both the cathode and the anode catalysts, (1) water is supplied to the anode through a water supply source, and air is supplied to the cathode through the air supply unit 2) The unit cell was evaluated by supplying water to the anode through a water supply source, separating the air supply portion into the cathode, and not supplying air (Non Air - Water).
도 11은 실험예 7의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.11 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 7. FIG.
도 11을 참조하면, 애노드에 Pt/C촉매를 사용한 경우, 1.4 V 전압 인가 시 약 500mA/cm2 전류 밀도가 얻어졌으며, 따라서, 애노드의 촉매를 달리하더라도 산소발생반응이 일어남을 확인하였다.Referring to FIG. 11, when a Pt / C catalyst was used for the anode, a current density of about 500 mA / cm 2 was obtained when a voltage of 1.4 V was applied. Therefore, it was confirmed that oxygen generation reaction occurred even when the anode catalyst was varied.
하지만, 실험예 7의 경우도, (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water)에는, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없으면, 산소 환원 반응이 발생하지 않아, 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.However, in the case of Experimental Example 7, (2) water was supplied to the anode through a water supply source, and the air supply portion was shut off at the cathode, and when no air was supplied (Non Air- A current density of 0 mA / cm 2 was obtained. In this case, when there was no air supply to the cathode, no oxygen reduction reaction occurred and it was confirmed that no oxygen generation reaction occurred at the anode.
[실험예 8][Experimental Example 8]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을 사용하되, 애도드에는 류테늄 산화물 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 실험예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Experimental Example 1 was carried out except that a platinum catalyst was used for the cathode on the Nafion electrolyte membrane and a ruthenium oxide catalyst was used for the eadood.
이때, 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 캐소드에는 공기공급부를 통해 공기를 공급하여 단위 전지 평가를 진행하였다.At this time, water was supplied to the anode through a water supply source, and air was supplied to the cathode through the air supply unit to evaluate the unit cell.
도 12는 실험예 8의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.12 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 8. Fig.
도 12를 참조하면, 애노드에 루테늄 산화물 촉매를 사용한 경우, 1.4 V 전압 인가 시, 상기 애노드에 이리듐 산화물 촉매를 사용한 경우보다 증가된 1200mA/ cm2 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 애노드에서의 산소 발생량은 대략 420 cm3/min (STP) 임이 확인 되었다.Referring to FIG. 12, when a ruthenium oxide catalyst was used for the anode, an increased current density of 1200 mA / cm 2 was obtained at the application of a 1.4 V voltage to the anode compared with the case of using the iridium oxide catalyst. In this case, Was found to be approximately 420 cm 3 / min (STP).
따라서, 애노드의 촉매를 달리함으로써, 애노드에서의 산소발생량을 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the amount of oxygen generated in the anode can be increased by varying the catalyst of the anode.
이상과 같이, 본 발명에서는, 막-전극 접합체(60); 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70); 및 상기 막-전극 접합체의 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.As described above, in the present invention, the membrane-
따라서, 본 발명에서는 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen by noiseless and non-vibrating use, and also by simplifying the structure of the apparatus and making it possible to miniaturize.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
Claims (10)
상기 산소 발생 장치는,
외부의 공기가 유입되는 캐소드에서는 산소 환원 반응이 일어나고, 물이 공급되는 애노드에서는 산소 생생 반응이 일어나며,
상기 외부의 공기가 유입되는 공기 유량은 20ccm 이상인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.In the oxygen generator,
The oxygen generating apparatus includes:
An oxygen reduction reaction takes place at the cathode where external air is introduced, an oxygen life reaction occurs at the anode where water is supplied,
Wherein the air flow rate of the external air is 20 ccm or more.
상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 산소 발생 장치.The method according to claim 1,
In the anode, oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER), and water (H 2 O) is generated in the cathode using an oxygen reduction reaction (ORR) Oxygen generator.
상기 애노드에 물을 공급하기 위한 물공급원; 및
상기 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부를 포함하고,
상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 산소 발생 장치.A membrane-electrode assembly comprising an anode connected to a first pole of a power supply, a cathode connected to a second pole of the power supply, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A water supply source for supplying water to the anode; And
And an air supply unit for supplying oxygen to the cathode,
In the anode, oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER), and water (H 2 O) is generated in the cathode using an oxygen reduction reaction (ORR) Oxygen generator.
상기 캐소드에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원으로 회수하기 위한 물 회수라인을 더 포함하는 산소 발생 장치.The method of claim 3,
And a water recovery line for recovering water (H 2 O) generated in the cathode to the water source.
상기 애노드의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부 및 상기 캐소드의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부를 더 포함하며,
상기 제1외부 프레임부는, 제1외부 프레임; 상기 제1외부 프레임의 일측에 위치하는 물 주입구 및 상기 제1외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 배출구를 포함하고,
상기 제2외부 프레임부는, 제2외부 프레임; 상기 제2외부 프레임의 일측에 위치하는 산소 주입구 및 상기 제2외부 프레임의 타측에 위치하는 물 배출구를 포함하는 산소 발생 장치.5. The method of claim 4,
Further comprising a first outer frame portion located on the outer side of the anode and a second outer frame portion located on the outer side of the cathode,
The first outer frame portion includes a first outer frame; A water inlet located at one side of the first outer frame and an oxygen outlet located at the other side of the first outer frame,
The second outer frame portion includes a second outer frame; And an oxygen inlet located at one side of the second outer frame and a water outlet located at the other side of the second outer frame.
상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구를 통해 상기 애노드로 공급되며, 상기 애노드에서는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성하고, 상기 생성된 산소(O2)는 상기 산소 배출구를 통해 배출되며,
상기 캐소드에서는, 상기 산소 주입구로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 되며, 생성된 물(H2O)은 상기 물 배출구를 통해 배출되는 산소 발생 장치.6. The method of claim 5,
The water supplied from a water supply source (H 2 O) and is supplied to the anode through the water inlet, the anode in the water (H 2 O) for the electrolysis of a hydrogen ion (H +), oxygen (O 2) and Electrons are generated, and the generated oxygen (O 2 ) is discharged through the oxygen outlet,
In the cathode, oxygen (O 2 ) in the air supplied from the oxygen inlet port reacts with hydrogen ions (H + ) migrating through the electrolyte membrane to generate water (H 2 O) 2 O) is discharged through the water outlet.
상기 애노드는 제1지지체 및 상기 제1지지체의 일측에 위치하는 제1촉매층을 포함하며,
상기 제1지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본, 전도성고분자 또는 이들의 혼합물이고,
상기 제1촉매층은 Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S 및 Mo 금속 및 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산소 발생 반응용 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.The method of claim 3,
Wherein the anode comprises a first support and a first catalyst layer located on one side of the first support,
The first support may be a carbon black, a Ketjen black, an acetylene black, an activated carbon powder, a carbon molecular sieve, a carbon nanotube, activated carbon having micropores, a mesoporous carbon, a conductive polymer,
Wherein the first catalyst layer is selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S and Mo metals and oxides, nitrides, carbides, phosphides, Wherein the catalyst is a catalyst for at least one oxygen generating reaction.
상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고,
상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고,
상기 제2촉매층은 Pt, Pd, Ir, Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산소 환원 반응용 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.The method of claim 3,
Wherein the cathode includes a second support and a second catalyst layer located on one side of the second support,
Wherein the second support is at least one material selected from the group consisting of carbon or a transition metal oxide, a nitride, a carbide, a phosphide, and a sulfide,
Wherein the second catalyst layer is at least one catalyst for oxygen reduction reaction selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au, Ag, and alloys thereof.
상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고,
상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고,
상기 제2촉매층은 Fe-N-C 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.The method of claim 3,
Wherein the cathode includes a second support and a second catalyst layer located on one side of the second support,
Wherein the second support is at least one material selected from the group consisting of carbon or a transition metal oxide, a nitride, a carbide, a phosphide, and a sulfide,
Wherein the second catalyst layer is an Fe-NC catalyst.
상기 Fe-N-C 촉매는 수소 생성 반응은 억제하고, 산소 환원 반응은 촉진시키는 것인 산소 발생 장치.10. The method of claim 9,
Wherein the Fe-NC catalyst suppresses the hydrogen production reaction and accelerates the oxygen reduction reaction.
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